CN107406197B - 支承载荷的平衡装置和/或方法 - Google Patents

支承载荷的平衡装置和/或方法 Download PDF

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Abstract

提供了支承载荷的平衡装置。该装置包括基部、承重臂、肘节连杆机构以及向承重臂施加力的第一和第二弹性部件。承重臂包括形成平行四边形连杆机构的多个枢转点，可在附接点处从基部伸出，并用于在远端支承载荷。肘节连杆机构可枢转地连接至基部，并且可在非承重位置与承重位置之间移动。肘节连杆机构还可包括调整构件，调整构件定位成限定相对于附接点的距离。第一弹性部件用于向承重臂施加力，并可具有连接至平行四边形连杆机构的第一部分的第一端，和连接至调整构件的第二端；第二弹性部件也可向承重臂施加力，并可具有连接至平行四边形连杆机构的第二部分的第一端，和连接至调整构件的第二端。肘节连杆机构从非承重位置至承重位置的移动利用第一和第二弹性部件的力，调整构件的移动改变所述距离来调整支承矢量以平衡载荷矢量。

Description

支承载荷的平衡装置和/或方法
技术领域
本发明总体涉及用于支承载荷的平衡装置和/或方法，更具体地涉及一种采用平行四边形连杆机构来支承不同重量载荷的单点可调的平衡装置和/或方法。
背景技术
众多科学、医学以及工业任务都涉及到了对物体或仪器的部署，由于这些物体或仪器可能需要被高高举起并在空间中进行长时间的操作，从而引起了对用户的重复性压力。众所周知，所引起的重复性压力是造成工作相关创伤的一种原因。
例如，与工作相关的肌肉骨骼疾病在诊断治疗的超声波检查医师与血管技术人员之中已经被认为是普遍问题。2006年，美国大约有46000个超声波检查医师和血管技术人员的工作岗位。一份代表性的调查显示，几乎90％的超声波检查医师和血管技术人员报告在完成超声波扫描的同时承受着某种形式的疼痛。超声波检查医师所报告的、在过程中所承受的疼痛的加剧因素包括颈部和身体持续、重复性的扭曲和持久的手臂外展以及超声波换能器上的压力的施加。
在另一个示例中，在工业环境下，重型工具或部件需要工人在重复和棘手的运动中进行操作。工人可能还需要在长时间内维持固定的姿势。在工业环境中，不良的人体工程学设计对工人的生产率以及健康和安全产生不利的影响。
为了改善工人人体工程学设计，已经开发出了各种各样的设备来平衡包括但不限于重型工具和部件的物体和仪器。然而固定臂支承件以及允许某种横向运动的支承件在本领域内是已知的，一些任务要求更大范围的水平和竖直运动，优选为至少两个或三个自由度(DOF)。包括但不限于外科手术、工业、诊断和治疗过程的工业、医疗和科研操作可以通过以能够以等弹性方式提供更大范围的运动的方式为用户有效平衡重力而大大获益。术语等弹性可以指在臂的整个运动范围内由用户施加的用于使臂移动的恒力。例如，Equipois公司(曼彻斯特，新罕布什尔州)已经开发出包括自支承平衡臂的弹簧载荷平衡臂(例如zeroGTM机械臂)，用于在工业环境中采用串联连接的平行四边形区段来定位工具和部件。弹簧可用于平衡载荷以及臂中的任意后续区段。可以调整各区段中的弹簧的预负载，以适应具有不同重量的载荷。
然而，此类现有技术的设备可能存在缺点。为了调整臂的承载量，可能需要用户对各种元件进行多处调整，使得它们的使用变得缓慢和繁琐。如果臂是非等弹性的，当用户可能需要使用更大的力去调整不同位置的臂时，可能会感受到不一致的性能。zeroGTM的等弹性可能与比率调整量负相关。当增加比率调整以允许在极端角度处操作时，等弹性可能降低，从而在运动的全程范围内使整体性能下降。
例如在诊断医疗的超声波检查和血管技术领域内，之前的平衡臂可能已经使用了高力矩发动机来抵消对病人造成潜在危害的载荷重量。在故障事件中，发动机可能会以臂的两倍重量的最小力来驱动臂进入病人体内。在电源故障的事件中，当发动机不再能够抵消重量时，传统臂可能会失去其姿势并且在它自己的重量下骤然下降。而在电源故障中，可能已经应用制动器来阻止传统臂的骤然下降，传统臂可能会完全锁住(即，不可调整)直到电源恢复。
所需要的是克服与现有技术相关的一个或多个局限的平衡装置和/或方法。提供有助于平衡具有不同重量的载荷的装置和/或方法可能是有益的。
解决与现有技术的设备和/或方法相关的问题的现有尝试，如果有的话，可能是不成功的和/或可能是具有与之相关的一个或多个缺点。现有技术的设备和/或方法已经不适合去解决所述的与其相关的问题和/或缺点。
本发明的目的在于避免或减少与现有技术相关的上述一个或多个缺陷和不足，以提供上述需求和优势中的一种，和/或实现本发明的上述目标中的一个或多个。
发明内容
根据本发明，公开了一种用于支承载荷的平衡装置，其中，所述载荷具有沿重力矢量方向施加的载荷矢量。该装置包括基部、承重臂、肘节连杆机构以及第一和第二弹性部件。所述承重臂包括形成平行四边形连杆机构的多个枢转点，并且可在近端处的附接点处从基部伸出，并用于在远端处支承所述载荷。所述肘节连杆机构可以枢转地连接至基部，并可在非承重位置与承重位置之间移动。所述肘节连杆机构还可包括调整构件，所述调整构件定位成限定相对于所述附接点的距离。所述第一弹性部件用于向所述承重臂施加力，并可具有连接至所述平行四边形连杆机构的第一部分的第一端，以及连接至所述调整构件的第二端。所述第二弹性部件也可用于向所述承重臂施加力，并可具有连接至所述平行四边形连杆机构的第二部分的第一端，和连接至所述调整构件的第二端。所述肘节连杆机构从所述非承重位置至所述承重位置的移动利用第一和第二弹性部件的力，所述调整构件的移动改变所述调整构件与所述附接点之间的距离，从而调整支承矢量以平衡所述载荷矢量。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，所述平衡装置还可优选地(但不是必须)包括具有肘节销的接合臂，该接合臂枢转地连接至基部，并配置为与所述肘节连杆机构接合以在所述非承重位置与所述承重位置之间枢转。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，所述平衡装置还可优选地(但不是必须)包括由接合臂接纳且由肘节销螺纹接纳的调谐部件，所述调谐部件被配置成在其旋转后改变所述距离。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，当所述距离减小时，所述第一和第二弹性部件可优选地(但不是必须)用于产生线性扩展力。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，当所述距离增加时，所述第一和第二弹性部件可优选地(但不是必须)用于产生线性压缩力。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，第一和第二弹性部件可优选地(但不是必须)为一对弹性部件。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，所述平行四边形连杆机构可优选地(但不是必须)包括至少一个平行四边形。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，所述平行四边形连杆机构可优选地(但不是必须)包括至少一个混合平行四边形。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，所述载荷可优选地(但不是必须)通过载荷释放机制可逆地连接至所述承重臂的远端枢转点。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，所述基部可优选地(但不是必须)连接至固定支承部。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，所述平衡装置还可优选地(但不是必须)包括用于维持关于所述载荷的位置的制动器。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，所述支承矢量可优选地(但不是必须)在至少两个自由度上平衡所述载荷矢量。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，公开了使用平衡装置支承载荷的方法，其中载荷具有沿重力矢量方向施加的载荷矢量。该方法包括：将载荷附接至承重臂的远端的步骤，所述承重臂在近端处的附接点从基部伸出，所述承重臂具有形成平行四边形连杆机构的多个枢转点；定位具有调整构件的肘节连杆机构的步骤，以确定所述调整构件与所述附接点之间的距离，其中所述肘节连杆机构枢转地连接至所述基部并可在非承重位置与承重位置之间移动；以及通过将第一端连接至所述平行四边形连杆机构的第一部分并将第二端连接至所述调整构件来配置第一弹性部件以向所述承重臂施加力，并且通过将第一端连接至所述平行四边形连杆机构的第二部分并将第二端连接至所述调整构件来配置第二弹性部件以向所述承重臂施加力的步骤，将所述肘节连杆机构从所述非承重位置移动至所述承重位置利用第一和第二弹性部件的力，以及移动所述调整构件以改变所述距离来调整支承矢量以平衡所述载荷矢量。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，所述方法还可优选地(但不是必须)包括使用具有肘节销的接合臂，所述接合臂枢转地连接至所述基部以使所述肘节连杆机构在所述非承重位置与所述承重位置之间枢转。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，所述方法还可优选地(但不是必须)包括使用由接合臂接纳且由所述肘节销螺纹接纳的调谐部件以在其旋转后改变所述距离。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，当所述距离减小时，所述第一和第二弹性部件可优选地(但不是必须)用于产生线性扩展力。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，当所述距离增加时，所述第一和第二弹性部件可优选地(但不是必须)用于产生线性压缩力。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，第一和第二弹性部件可优选地(但不是必须)分别包括一对弹性部件。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，所述平行四边形连杆机构可优选地(但不是必须)包括至少一个平行四边形。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，所述平行四边形连杆机构可优选地(但不是必须)包括至少一个混合平行四边形。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，所述方法可优选地(但不是必须)包括使用载荷释放机制以将载荷可逆地连接至所述承重臂的远端枢转点。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，所述基部可优选地(但不是必须)连接至固定支承部。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，所述方法还可优选地(但不是必须)包括使用制动器维持关于所述载荷的位置。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，所述支承矢量可优选地(但不是必须)在至少两个自由度上平衡所述载荷矢量。
根据本发明的一个优选实施方式的方面，公开了一种用于支承载荷的平衡装置，其中，所述载荷具有沿重力矢量方向施加的载荷矢量。该装置包括基部、承重臂以及第一和第二弹性部件。所述基部可在承重位置与非承重位置之间移动。所述承重臂包括形成平行四边形连杆机构的多个枢转点，并且可在近端处的附接点处从基部伸出，以及用于在远端支承所述载荷。所述第一弹性部件用于向所述承重臂施加力，且具有连接至所述平行四边形连杆机构的第一部分的第一端，以及连接至所述基部附接点的第二端；所述第二弹性部件用于向所述承重臂施加力，且具有连接至所述平行四边形连杆机构的第二部分的第一端，以及连接至所述基部的所述附接点的第二端。所述基部从所述非承重位置至所述承重位置的移动利用第一和第二弹性部件的力，以应用支承矢量来平衡所述载荷矢量。
通过考虑参照附图的以下详细说明和所附权利要求，本发明的其他优点、特性和特征以及操作方法和装置、方法的相关元件的功能以及步骤、部件与制造效益的结合将会更加明显。以下，将对附图进行简短说明。
附图说明
就根据本发明的装置和方法的结构、组织、使用和操作方法而言，将根据以下附图更好地理解本发明的装置和方法的特性的新颖特征以及其进一步的目的和优势，在附图中将以举例的方式示出当前优选的实施方式。然而，应当理解，附图仅是为了说明和描述的目的，而不是旨在定义本发明的界限。在以下附图中，
图1是具有载荷的装置的立体图，
图2是图1所描述的本发明的方面的放大主视剖视图，
图3A和图3B分别是图1的装置的侧视图和放大立体图，
图4A、4B和4C是图1的装置的侧视图和放大立体图，
图5是图1的装置的侧视图，
图6是本发明替代实施方式的立体图，以及
图7A和7B是本发明替代实施方式的立体图。
具体实施方式
以下的说明和其中描述的实施方式将以说明本发明的原理的具体实施方式的一个或多个示例的方式来提供。这些例子是用来解释而不是用来限定上述原则和本发明。描述时，在整个说明书和附图中，相似部件分别以相同的附图标记进行标记。附图不一定按比例缩放，而在一些实例中，为了更清楚地描述本发明的某些实施方式和特征，可能已经放大了比例。
本公开中使用了多个术语和缩写。以下提供了对这些术语和缩写的定义。
相关领域的普通技术人员可以大致理解本文中使用的术语“包括”通常表示存在有权利要求中所涉及到的特征、整体、步骤或部件，但其并不排除存在或增加一个或多个其他特征、整体、步骤、部件或其组合。
在本文的说明书和附图中，除非特别注明，否则术语“竖直的”、“横向的”和“水平的”通常是对笛卡尔坐标系的引用，其中所述的竖直方向通常是沿“上下”方向从底部延伸至顶部(y轴)，而横向方向通常是沿“左右”或者“一边至另一边”的方向延伸(x轴)。此外，水平方向沿“前后”方向延伸，并能够沿着可从页面延伸出去或延伸至页面的方向延伸(z轴)。除非特别指明，重力的力或矢量通常以向下的方式平行于y轴(例如竖直方向)。
如本文所引用的，相关领域的普通技术人员将会理解在本领域内众所周知的作为承重装置的铰接(例如可定位或可重新定位的)施力(例如承重)臂。在本发明的优选实施方式中，这种装置可以包括剪式布置中的一个或多个平行四边形或者混合平行平行四边形连杆机构，例如在第4930598号美国专利、第5569013号美国专利以及第2007/0221895号美国专利申请中的一个或多个所公开的，上述专利分别以引用的方式并入本文。相关领域的普通技术人员将会理解，本发明中可以使用一些已知配置的承重臂。
相关领域的普通技术人员将会理解，在本文引用的“弹性部件”可以包括以下任何弹性件、充气件、气压弹簧、恒力弹簧发动机或适用于储存或运用机械能、产生力和/或可反向驱动的力(例如，施加至输出部的力可以移动输入部)的其他设备中的一个或多个。在优选实施方式中，弹性部件可以包括弹簧，以及在更优选的实施方式中，可以包括压缩或拉伸弹簧。
相关领域的普通技术人员将会理解，在本文引用的平行四边形为具有两对平行边的四边形。平行四边形的相对或相向的边长度相等，并且平行四边形的对角角度相同。平行四边形可以包括但不限于长斜方形、矩形、菱形和正方形。相关领域的普通技术人员将会理解，本发明的平行四边形可以设置在单个或混合连杆中，其中，将理解的是，混合平行四边形通常可以包括具有一个共同边的两个平行四边形。
本领域需要用于施加力(例如平衡重力)的装置和方法，以减少各种环境下的用户所产生的体力劳动，所述用户包括但不限于执行医疗检查(例如超声波检查)的医疗专业人员。更具体地，本领域需要以超过一个DOF进行操作的能够平衡载荷的装置。
因此，本发明的一方面优选地提供了减少用户可能经受的身体劳损的组件和方法以，这些用户包括但不限于进行超声波检查和类似医疗步骤的执业医生。然而，应理解的是，本发明可以用于帮助执行在其他环境中发现的各种任务，该环境包括但不限于工业环境。
为了能更充分地理解本发明，将结合附图以举例的方式对其进行说明，其中图1至图6示出了本发明的实施方式。
参考图1，其示出了支承载荷10的平衡装置100。在优选实施方式中，所述装置100包括基部110和承重臂120。在附图所示出的优选实施方式中，承重臂120将被视为铰接施力臂，并且承重臂120为此施力臂的一个示例。在优选实施方式中，施力(例如承重)臂120配置有多个枢转点，以大体形成平行四边形连杆机构。如图3A更好地示出，承重臂120大体上在附接点122处从基部110横向伸出，并在远端处，优选在远端枢转点124处，适用于支承载荷10。相关领域的普通技术人员将会理解，附接点122可以包括在现有技术中可能是已知的任何可移动的(包括但不限于可枢转的附接件、球窝接头、万向接头)以及不可移动的(即，固定的)附接机构。
在优选实施方式中，如图1所示，平行四边形连杆机构可以是混合平行四边形。然而，相关领域的普通技术人员将会理解，承重臂120能够包括单个平行四边形连杆机构，以及多于一个该连杆机构。在优选实施方式中，平行四边形连杆机构包括一个或多个混合平行四边形。在该优选配置中，承重臂120设置有至少两个DOF(例如横向移动和竖直移动)。此外，优选实施方式可以包括枢转地附接至远端枢转点124并且用于接合载荷10的载荷联接器126。此外，有经验的读者将会了解到，本发明的平行四边形连杆机构可包括并联和/或串联的一个或多个平行四边形。
如上所述，承重臂120可以是一个平行四边形或如图1所示的混合平行四边形。本领域的普通技术人员将会了解到使用混合平行四边形以提供至少两个DOF(参见图1中的箭头A和B)的移动，其相比如现有技术所公开的两个串联连接的平行四边形提供了许多优势。例如，除了更易于适应不同的载荷10，混合平行四边形可有助于堪比现有技术中所设置的两个串联连接的平行四边形臂的移动(即，当承重臂120固定在基部110时的两个DOF和当承重臂120可围绕相对于基部110的竖直轴旋转时的至少三个DOF，例如如图7A和7B所示)。此外，本领域的普通技术人员还将会理解，承重臂120可以包括超过两个的平行四边形，并且平行四边形数量的增加可以允许承重臂120的可到达距离的增加(例如可离开基部110移动的距离)。
此外，如图1所示，装置100还包括肘节连杆机构或机构130，其可移动地连接至基部110，并可在非承重位置与承重位置之间移动。此连杆机构在本领域内众所周知，并且被理解为包含由一个或多个销钉(或铰链)接头连接的链接(包括但不限于杆)的组合，所述接头设置成使得在一点上施加的相对较小的力可以在另一点处产生相对较大的力。在一些实施方式中，接合臂止挡件137(图6所示)可以是杆、销或任何其他机构，以确保肘节连杆机构130不会越过承重位置，并且所述接合臂止挡件137可用于确保肘节连杆机构130位于承重位置。在优选实施方式中，肘节连杆机构130还包括调整构件132和肘节销138。然而，本领域的技术人员将会理解，肘节连杆机构130可以只通过伸出部、杆或本领域内已知的任何其他连接装置或其组合连接至基部110，在优选实施方式或本发明中，其他连接装置包括枢转连接件。肘节连杆机构130可被定位成限定相对于附接点122的距离140。在优选实施方式中，距离140确定为在调整构件132与附接点122之间。然而，本领域的技术人员将会理解，除了调整构件132上的位置，肘节连杆机构130上的位置也可用于确定到附接点122距离140。
本领域的技术人员将会理解，本发明的实施方式可能不具有肘节连杆机构130或者力调整装置。当载荷10是已知的重量，并且其可能不变时，弹性部件150可以仅附接至可移动的基部(未示出)。弹性部件150还可以产生已知的、不可调整的力。在本实施方式中，基部可在承重和非载荷位置之间移动(即可旋转)，在非载荷位置中，弹性部件150分别接合或不接合(例如开和闭)。一旦已知的载荷10附接至承重臂120，基部移动至承重位置，并且弹性部件150随后接合，使得载荷10被举起并且使得重力无效。
在一个实施方式中，装置100包括第一弹性部件150a，具有第一端和第二端，第一端连接至接近基部110的平行四边形连杆机构的第一部分120a，第二端连接至肘节连杆机构130的调整构件132；以及第二弹性部件150b，具有第一端和第二端，第一端连接至接近基部110的平行四边形连杆机构的第二部分120b，第二端连接至肘节连杆机构130的调整构件132。相关领域的技术人员将会理解，第一弹性部件150a和第二弹性部件150b通常也可以统称为弹性部件150。有经验的读者也将会理解，装置100可以包括至少两个弹性部件150(例如150a和150b)，并且将会理解，几乎任何数量的至少两个弹性部件150可以并联或串联地起到单独的弹性部件的作用。在优选实施方式中，第一和单独的弹性部件150a、150b中的每个是一对弹性部件150(如图1所示)。
弹性部件150a、150b可以适于支承不同重量的载荷或载荷矢量12。在优选实施方式中，弹性部件150a、150b的第二端分别连接至调整构件132。在优选实施方式中，承重臂120的第一和第二部分120a、120b将被认为是接近附接点122。此外，虽然将了解到，弹性部件150a、150b的第一端可以连接至沿着相应的第一和第二部分120a、120b的长度方向的任何附接点，但是在图1所示出的优选实施方式中，弹性部件150a、150b连接至每个相应的第一和第二部分120a、120b的中间点。本领域的普通技术人员将会理解，沿着所述臂的附接点可以由各种各样的已知因素确定，包括弹性部件150a、150b的特性(例如弹簧常数)、承重臂120的最大设定承载量、承重臂120的长度以及承重臂120的运动范围。
在另一实施方式中，基部110可附接至固定支承部200(如图3A最佳所示)，所述固定支承部具有相对于重力的固定定向，例如墙壁或地面。
通过调整由弹性部件150a、150b施加至承重臂120的力，使得承重臂120适用于支承具有不同重量的载荷10(如图1所示)或力矢量12。正如由本领域的技术人员将理解的，改变距离140可以增加或减小由弹性部件150a、150b施加于承重臂120上的力。如图1至图5、图7A和图7B所示，例如，如果当弹性部件150a、150b被配置为施加线性扩展力(例如压缩弹簧)时，减小距离140可以降低装置100的承载量。替代的，如果弹性部件150a、150b配置为施加线性压缩力(例如拉伸弹簧)，则增加距离140可以增加装置100的承载量。
如图6所示，例如，如果当弹性部件150a、150b被配置为施加线性扩展力(例如压缩弹簧)，则增加距离140可以增加装置100的承载量。替代地，如果弹性部件150a、150b配置为施加线性压缩力(例如拉伸弹簧)，则减小距离140可以降低装置100的承载量。
如图1所示，载荷10可以附接至承重臂120的远端枢转点124处的载荷联接器126。在优选实施方式中，使用载荷释放机构128将载荷10连结至载荷联接器126。然而，本领域的普通技术人员将会理解，载荷释放机构可以包括，但不限于，将载荷10可释放地或不可释放地接合至载荷联接器126的销、螺栓、磁体以及其他器件。虽然载荷10能够附接至承重臂120的任何部位，然而，优选的是载荷10可以在附接点122远端的枢转点124处由装置100支承。在此位置，可以以至少两个DOF(例如，沿着如箭头A和B所示的竖直和横向轴的平移)在远端操纵载荷10。
肘节连杆机构130可操作地连接至接合臂134以接合由弹性部件150a、150b(即，图4A中所示的承重位置)所施加的力，或者摆脱由弹性部件150a、150b(即，图3A所示的非承重位置)所施加的力。以此方式，具有已知重量或载荷矢量12(如下所述)的载荷10可以很快被提起和释放。还设置有用于调整由弹性部件150a、150b施加的力的调谐部件136，以支承具有未知重量的载荷10。在优选实施方式中，如图1最佳所示，接合臂134可在臂枢转部135处枢转地附接至基部110，并且如下面结合附图4A至C所述在承重位置中可操作地接合肘节连杆机构130。在优选实施方式中，可操作连接可以由包含于接合臂134中的槽131提供，槽用于接纳肘节销138。
如图2所示，优选地，调谐部件136经由孔接纳在接合臂134中，并螺纹接纳在肘节销138中，例如，调谐部件136配置为响应于调谐部件136的顺时针或逆时针旋转而移动调整构件132。以此方式，顺时针或逆时针旋转调谐部件136改变了距离140，这使得弹性部件150a、150b(未示出)同时施加更多或更少的力。例如，当弹性部件150a、150b为弹簧时，它们将会被更多或更少地压缩或扩展。这转而改变了由弹性部件150a、150b施加的力，因此改变了装置100的载荷10的(即，载荷矢量12)支承量。本领域的技术人员将会理解，在替代实施方式中，调谐部件136由接合臂134螺纹接纳，接合臂134转而附接至肘节销138。优选地，接合臂134枢转地附接至肘节销138。在另一替代实施方式中，调谐部件136由接合臂134螺纹接纳，并经由孔穿过肘节销138。在这样的替代实施方式中，调谐部件136可进一步包括止挡件(未示出)以可操作地接合肘节销138。止挡件(未示出)的位置可取决于弹性部件150a、150b施加线性压缩力还是线性扩展力。优选地，止挡件(未示出)配置为允许肘节销138枢转。在又一替代实施方式中，肘节销138可以包括固定的肘节凸出部(未示出)，其经由孔接纳于接合臂134中并且由调谐部件136螺纹接纳。在这样的替代实施方式中，调谐部件136包括阴螺纹(未示出)以接纳螺纹状的固定的肘节凸出部。在上述实施方式中的每一个中，槽131可包含于接合臂134中以促进肘节销138的移动。
在图3A中，装置100用于接合载荷10或使载荷10脱离接合。如图3A所示，基部110可附接至固定支承部200，并且载荷10可以通过定位在非承重位置的接合臂134(参见图3A)与载荷联接器126接合或脱离接合(即，分别通过致动或停用载荷释放机构)，从而使得弹性部件150a、150b施加较少的力或不施加力(即，例如，弹性部件150a、150b为松弛状态或施加最小力的状态，以在没有载荷10的情况下支承承重臂120的重量)。
图3B是装置100的放大立体图，其提供了弹性部件150a、150b以及限定距离140的调整构件132与附接点122的改进视图。
如图4A所示，装置100用于支承载荷10。如图4A所示，基部110可以附接至固定支承部200，并且接合臂134偏向于(例如移动至)承重位置，从而由弹性部件150a、150b所施加的力通过承重臂120用于或应用于载荷10。调谐部件136可用于调整由弹性部件150a、150b施加至待由装置100支承的载荷10的重量(即，载荷矢量12)的力。本领域的技术人员将会理解，在接合臂134移动至承重位置之前或期间或之后，可以调整调谐部件136。在优选实施方式中，通过调整距离140，沿第一方向旋转调谐部件136可以增加由弹性部件150a、150b施加至载荷10的重量(即，载荷矢量12)的力。相反地，在本实施方式中，通过调整距离140，沿第二方向旋转调谐部件136可以减小由弹性部件150a、150b施加至载荷10的重量(即，载荷矢量12)的力。以此方式，可调整装置100以产生支承矢量129，支承矢量129平衡不同重量的载荷10(即，载荷矢量12)，并可以提供载荷的等弹性移动(例如，当弹性部件150a、150b为零长弹簧时)。在优选实施方式中，支承矢量129足以平衡载荷矢量12，使得载荷10以至少两个DOF悬挂。换言之，可以有效地平衡重力，而平衡装置100的用户(未示出)可以以用户或操作者的较少的体力来操纵载荷10。
因此，在操作时，平衡装置100能够提供与重力矢量相关的可调整的施加力，该施加力可在承重臂110的整个接合中始终一致。弹性部件150a、150b产生反作用力(即，支承矢量129)以在承重臂110的整个运动范围内有效地平衡载荷矢量12。替代的，与平衡载荷矢量12相反，装置100可配置为产生大于载荷矢量12的支承矢量129(例如，将载荷10从地面提升至搁板)或产生小于载荷矢量12的支承矢量129(例如，将载荷10从搁板轻轻地降到地面)。
本领域的技术人员可以理解，与在现有技术的配置中一个弹簧定位在基部处而另一个弹簧定位在一个串联连接的平行四边形连杆机构的远端处相比，将弹性部件150a、150b定位在基部110处可以减小现有技术设备所经受的惯性。此外，本发明有利地允许并行调整(例如，单点调整)由弹性部件150a、150b施加的力。
本发明的另一优点可能在于，一旦装置100配置为产生平衡载荷矢量12(即，特定载荷10的重量)的支承矢量129，可能只需要接合臂134来平衡载荷10(即，调谐部件136优选地用于平衡未知重量的载荷10或载荷矢量12)，从而在使用或操作载荷10时节省了时间。
虽然本领域的技术人员可以理解，载荷联接器126可附接至承重臂120的任意部位，但是，在优选实施方式中，联接器126可以附接在基部110远端的承重臂120的端部处—优选为附接在远端枢转点124处。在该配置中，接合的载荷10可以以至少两个DOF来操纵(例如，绕附接至固定支承部200的基部110进行第一旋转以进行竖直平移，以及从附接至固定支承部200的基部110开始以及去往附接至固定支承部200的基部110的第二横向平移)。固定支承部200可包括墙壁和地面(包括但不限于接地销连接)。本领域的技术人员还将理解，远端枢转点124和载荷释放机构128可以提供附加的DOF。
参考图4B，示出了装置100的放大立体图，其提供了配置为支承具有已知载荷矢量12(如图4A最佳示出)的载荷10的弹性部件150a、150b和肘节连杆机构130的改进视图。
参考图4C，示出了处于承重位置以支承具有未知载荷矢量12(未示出)的载荷10的肘节连杆机构130的另一放大立体图。为了使得弹性部件150a、150b产生足以以至少两个DOF(未示出)来平衡载荷矢量12的支承矢量129，需要调谐部件136来调整距离140(未示出)。
在图5中，肘节连杆机构130位于承重位置，并且接合臂134和调谐部件136配置成用于载荷10的重量(即，载荷矢量12由弹性部件150a、150b所产生的支承矢量129来平衡)，使得载荷10悬挂并可以在至少两个DOF使用较少或不使用体力来进行操纵。在描述的实施方式中，通过移动固定支承部200可以引进第三DOF，使得载荷10能够绕由基部110确定的竖直轴来操纵或枢转(如图7A和7B最佳示出)。根据装置100安装或附接的支承部的类型(例如，可旋转的竖直杆、推车等)，可以实现多个DOF。
在图6中，示出了具有处于非承重位置的肘节连杆机构130的装置100的替代实施方式。在该实施方式中，调整构件132还包括枢转延伸的第一凸出部件133a和第二凸出部件133b，第一凸出部件133a和第二凸出部件133b具有在远端处被螺纹接纳的第一止挡部139a和第二止挡部139b。第一部分120a和第二部分120b还包括枢转连接的具有孔的第一和第二力联接器125a、125b，分别用于可滑动地接纳第一和第二凸出部件133a、133b。第一和第二弹性部件150a、150b具有连接至第一和第二部分120a、120b的第一和第二力联接器125a、125b的第一端，以及在第一和第二止挡部139a、139b处连接至调整构件132的第二端。第一和第二止挡部139a、139b为一次性调整部，用于配置或预加载弹性部件150a、150b以用作零长弹簧。在本实施方式中，当肘节连杆机构130位于承重位置时，由弹性部件150a、150b施加的力可使得承重臂120产生支承矢量。
图7A中示出了具有并联的两台装置100并支承细长载荷10的装置100的替代实施方式。载荷10可以经由同时提供至少两个平面的运动的载荷联接器126(例如球窝接头或万向接头)，由承重臂120来支承。该替代实施方式有助于在至少五个DOF移动(例如，沿x、y、z轴平移，以及摇摆和俯仰的两个旋转度)。
如图7A所示，每个装置100优选包括用于拾取载荷10的单独的调谐部件136和接合臂134。每个装置100上的调谐部件136调整每个装置100支承的载荷10的承载量和重量。例如，当载荷10均匀分布在每个承重臂120之间时，每个装置100的调谐部件136将同等地配置，使得每个臂120会支承一半载荷10。接合臂134可独立操作以拾取载荷10，或使用单个控制源(未示出)来连接以举起和/或释放载荷10。在优选实施方式中，臂134可机械连接(例如，附接至每个臂134的气动气缸，未示出)，并且控制源可以是开关或按钮。
图7B示出了具有并联的三台装置从而以至少六个DOF来支承和/或操纵载荷10(例如大型板)的装置100的替代实施方式。载荷10可以经由同时提供至少两个平面的运动的载荷联接器126(例如球窝接头或万向接头)由承重臂120来支承。该替代实施方式有助于在至少六个DOF移动(例如，x、y、z轴，以及摇摆、俯仰和翻滚的三个旋转度)。
如图7B所示，每个装置100优选包括用于拾取载荷10的部分的单独的调谐部件136和接合臂134。每个装置上的调谐部件136用于调整每个装置100支承的载荷10的承载量和重量分布。例如，当载荷10的重心居中地位于各承重臂10之间时，每个装置100的调谐部件136将同等配置，使得每个臂120将支承载荷10的三分之一。接合臂134可独立操作以拾取载荷10，或使用单个控制源(未示出)来连接以举起和/或释放载荷10。在优选实施方式中，臂134可机械连接(例如，附接至各臂134的气动气缸，未示出)，并且控制源可以是开关或按钮。相关领域的技术人员会理解，该替代实施方式可包括并联工作的多于三台的装置以支承载荷10。
本领域的普通技术人员可以理解，装置100可配置为全被动、半自动或全自动运行。在全被动配置中，可手动调整装置100，并且装置100仅用于产生用于平衡载荷10(例如工具)的重量或载荷矢量12的支承矢量129。在半自动配置中，当利用存储在存储器(未示出)中的一种或多种算法可操作地编码控制单元(如本领域内众所周知的)时，为了追踪载荷10的方位和/或位置，可手动调整装置100以提供定向逻辑。控制单元可用于确定载荷10是否仍然位于预定的工作区(未示出)内，或定向在特定目标(未示出)上。在全自动配置中，装置100可用于包括一个或多个电动机和/或气动/液压气缸(未示出)，以调整接合臂134和/或调谐部件136和/或承重臂120。有利地，鉴于装置100平衡载荷10上的重力影响的能力，可使用低力矩电动机。在当在恶劣环境下操作装置100的情况下，全自动配置可能是优选的。全自动配置还可适用于远程操作。
装置100的商业应用非常广泛，并且横跨医疗和非医疗领域。对于用户(未示出)可能遇到支承或定位载荷10(例如工具)的困难的应用中，装置100可能非常有用。关于支承或定位载荷10的困难可能产生于：棘手的运动、高载荷重量、长时间保持固定位置、在有限空间内进行操作或较高的定位精度的需求。本发明的装置100可用于产生支承矢量129以平衡接合至钉住的承重臂120的两自由度的端部处的任何载荷(例如工具)的重量(即，载荷矢量12)。根据需要，位于承重臂120的端部上的载荷10(诸如工具)可以平移和旋转以及保持位置和/或定向。
此外，由于装置100平衡了载荷10的重量，用户(未示出)必须施加以调整载荷10的位置的力可以大大减小，并可以使用弹性部件150a、150b的零长配置而成为等弹性的。为了更好的稳定性，一旦载荷10位于理想的位置和/或定向，可应用手动或自动制动器(未示出)以将装置100锁定在合适的位置上。
举例来说，装置100可用于减少由诸如超声波检查医师和血管技术人员的个体报告的许多加剧因素。如超声换能器的载荷10可以连接至承重臂120上。在这种情况下，超声波检查医师可以手动调整换能器的位置，直到获得理想的成像平面。随后，超声波检查医师将会释放换能器，而装置应当维持换能器的位置和施加必要的换能器压力。装置100的使用将提供关于持续的臂外展、持续性扭曲和对超声波检查医师施加的换能器压力的解决方案。
在另一实施方式中，装置100可配置为医疗应用的全自动机器臂。电动机可以安装至装置100上以调整承重臂120的姿势。本装置100的设计使用弹性部件150a、150b平衡载荷10。因此，低力矩电动机能够用于驱动装置100，并且不需要维持位置和/或定向。此外，装置100能够充分地反向驱动，使得在电源故障事件中，能够手动调整载荷10的位置和/或定向。相对于先前的医疗机器人的设计，该设计提供了附加的内在安全水平，因此本装置100在医疗机器人中间是独特的。
值得注意的是，根据需要，装置100能够被放大以应用到工业上(例如支承沉重物品)，或缩小以用于娱乐消遣(例如玩具)。上述仅为装置100的潜在应用的示例，而并非旨在限于这些应用上。
在本装置100中，仅需要在基部110处进行单独调整来产生足以在至少两个DOF平衡载荷矢量12的支承矢量129。此外，为了调整不同载荷10在调整点处的平衡，使用现有技术的设计可能就需要穿过臂布置的缆线来同时调整两个弹簧。
在一些实施方式中，正如可能在阿格拉沃尔(Agrawal,A)等人的机械原理(Mechanism and Machine Theory)40(2005)693至709中描述的，弹性部件150a、150b可以是零长(如图6所示)或非零长弹簧设计(如图1至图5、图7A和图7B所示)，在此以引用的方式并入。在另一些实施方式中，装置100可以包括施加压缩力的弹性部件150a、150b与施加扩展力的弹性部件的混合件。
相对于现有技术，本发明的实施方式还可以有利地提供平衡具有已知或未知重量的载荷的更简单和更有效的解决方案。例如，代替使用两个串联连接的平行四边形来提供两个DOF，单个销钉钉起的平行四边形可以在其位置使用。除了更紧凑的封装，所述单个销钉钉起的平行四边形可具有提供与现有技术相似的灵活性的优势(即，一个平行四边形而不是两个平行四边形)。此外，代替现有技术中使用位于基部处的一个弹簧和位于串联连接的平行四边形连杆机构的远端处的一个弹簧来减小臂的惯性，位于基部处的两个弹簧可优选地(但不是必须)用于平衡载荷。此外，在本装置和/或方法中，可同时调整第一和第二弹性部件，使得设计迅速拾取和释放载荷的装置变得更容易。
因此，相比于可能需要穿过臂布置缆线来同时调整多个弹簧的现有技术，在本发明的实施方式中，只需要在基部进行单独调整。
上述描述是用于说明性而不是排他性的目的或者并非旨在将本发限制于所公开的精确形式。根据上述教导，可以进行其他的修改、变化和替代，并且对于本领域的普通技术人员将是明显的，以及在不脱离本发明的精神和保护范围下，可以用于根据本发明的其他实施方式的设计和制造当中。本发明的保护范围不是由该说明来限定的，而仅由构成本说明书的一部分的权利要求来限定。

Claims (31)

1.一种用于支承载荷(10)的平衡装置(100)，其中，所述载荷(10)具有沿着重力矢量方向施加的载荷矢量(12)，所述平衡装置包括：
基部(110)；
承重臂(120)，具有形成平行四边形连杆机构的多个枢转点，所述承重臂在近端处的附接点(122)处从基部(110)伸出，并且适于在远端处支承所述载荷(10)；
肘节连杆机构(130)，枢转地连接至所述基部(110)，且能够在非承重位置与承重位置之间移动，并且具有调整构件(132)，所述调整构件(132)定位成限定相对于所述附接点(122)的距离(140)；
第一弹性部件(150a)，用于向所述承重臂(120)施加力，所述第一弹性部件(150a)具有连接至所述平行四边形连杆机构的第一部分(120a)的第一端，以及连接至所述调整构件(132)的第二端；以及第二弹性部件(150b)，用于向所述承重臂(120)施加力，所述第二弹性部件(150b)具有连接至所述平行四边形连杆机构的第二部分(120b)的第一端，以及连接至所述调整构件(132)的第二端；以及
其中，所述肘节连杆机构(130)从所述非承重位置至所述承重位置的移动利用所述第一弹性部件(150a)和所述第二弹性部件(150b)的力，以及所述调整构件(132)的移动改变所述距离(140)，以调整支承矢量(129)来平衡所述载荷矢量(12)。
2.根据权利要求1所述的平衡装置(100)，还包括具有肘节销(138)的接合臂(134)，所述接合臂(134)枢转地连接至所述基部(110)，并配置成与所述肘节连杆机构(130)接合，以在所述非承重位置与所述承重位置之间枢转。
3.根据权利要求2所述的平衡装置(100)，还包括由所述接合臂(134)接纳且由所述肘节销(138)螺纹接纳的调谐部件(136)，所述调谐部件(136)配置成在所述调谐部件(136)旋转后改变所述距离(140)。
4.根据权利要求1所述的平衡装置(100)，其中，当所述距离(140)减小时，所述第一弹性部件(150a)和所述第二弹性部件(150b)适于产生线性扩展力。
5.根据权利要求1所述的平衡装置(100)，其中，当所述距离(140)增加时，所述第一弹性部件(150a)和所述第二弹性部件(150b)适于产生线性压缩力。
6.根据权利要求1所述的平衡装置(100)，其中，所述第一弹性部件(150a)和所述第二弹性部件(150b)各自均为一对弹性构件。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的平衡装置(100)，其中，所述平行四边形连杆机构包括至少一个平行四边形。
8.根据权利要求7所述的平衡装置(100)，其中，所述平行四边形连杆机构包括至少两个平行四边形。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的平衡装置(100)，其中，所述载荷(10)通过载荷释放机构(128)可逆地连接至所述承重臂(120)的远端枢转点(124)。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的平衡装置(100)，其中，所述基部(110)连接至固定支承部(200)。
11.根据权利要求1至6中任一项所述的平衡装置(100)，还包括适于维持关于所述载荷(10)的位置的制动器。
12.根据权利要求1至6中任一项所述的平衡装置(100)，其中，所述支承矢量(129)在至少两个自由度上平衡所述载荷矢量(12)。
13.一种使用平衡装置(100)支承载荷(10)的方法，其中，所述载荷(10)具有沿重力矢量的方向施加的载荷矢量(12)，所述方法包括：
将所述载荷(10)附接至承重臂(120)的远端，所述承重臂(120)在近端处的附接点(122)处从基部(110)伸出，所述承重臂(120)具有形成平行四边形连杆机构的多个枢转点；
定位具有调整构件(132)的肘节连杆机构(130)，以限定所述调整构件(132)与所述附接点(122)之间的距离(140)，其中所述肘节连杆机构(130)枢转地连接至所述基部(110)，并能够在非承重位置与承重位置之间移动；以及
通过将第一端连接至所述平行四边形连杆机构的第一部分(120a)并且将第二端连接至所述调整构件(132)来配置第一弹性部件(150a),以向所述承重臂(120)施加力；以及通过将第一端连接至所述平行四边形连杆机构的第二部分(120b)并且将第二端连接至所述调整构件(132)来配置第二弹性部件(150b)，以向所述承重臂(120)施加力，以及
由此，将所述肘节连杆机构(130)从所述非承重位置移动至所述承重位置利用所述第一弹性部件(150a)和所述第二弹性部件(150b)的力，以及移动所述调整构件(132)改变所述距离(140)，从而调整支承矢量(129)以平衡所述载荷矢量(12)。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括使用具有肘节销(138)的接合臂(134)，所述接合臂(134)枢转地连接至所述基部(110)，以使所述肘节连杆机构(130)在所述非承重位置与所述承重位置之间枢转。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括使用由接合臂(134)接纳且由所述肘节销(138)螺纹接纳的调谐部件(136)，以在所述调谐部件(136)旋转后改变所述距离(140)。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，当所述距离(140)减小时，所述第一弹性部件(150a)和所述第二弹性部件(150b)用于产生线性扩展力。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，当所述距离(140)增加时，所述第一弹性部件(150a)和所述第二弹性部件(150b)用于产生线性压缩力。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一弹性部件(150a)和所述第二弹性部件(150b)各自均为一对弹性部件。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，其中，所述平行四边形连杆机构包括至少一个平行四边形。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述平行四边形连杆机构包括至少两个平行四边形。
21.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，还包括使用载荷释放机制(128)将所述载荷(10)可逆地连接至所述承重臂(120)的远端枢转点(124)。
22.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，其中，所述基部(110)连接至固定支承部(200)。
23.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，还包括使用制动器来维持关于所述载荷(10)的位置。
24.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，其中，所述支承矢量(129)在至少两个自由度上平衡所述载荷矢量(12)。
25.一种用于支承载荷(10)的平衡装置(100)，其中，所述载荷(10)具有沿重力矢量方向施加的载荷矢量(12)，所述平衡装置包括：
基部(110)，能够在承重位置与非承重位置之间移动；
承重臂(120)，具有形成平行四边形连杆机构的多个枢转点，所述承重臂在近端处的附接点(122)处从基部(110)伸出，并且用于支承远端处的载荷(10)；
第一弹性部件(150a)，用于向所述承重臂(120)施加力，所述第一弹性部件(150a)具有连接至所述平行四边形连杆机构的第一部分(120a)的第一端，以及连接至所述基部的附接点的第二端；以及第二弹性部件(150b)，用于向所述承重臂(120)施加力，所述第二弹性部件(150b)具有连接至所述平行四边形连杆机构的第二部分(120b)的第一端，以及连接至所述基部的附接点的第二端，
其中，所述基部从非承重位置至承重位置的移动利用了所述第一弹性部件(150a)和所述第二弹性部件(150b)的力，以应用支承矢量(129)来平衡所述载荷矢量(12)。
26.根据权利要求25所述的平衡装置(100)，其中，所述平行四边形连杆机构包括至少两个平行四边形。
27.根据权利要求25所述的平衡装置(100)，其中，所述载荷(10)通过载荷释放机构(128)可逆地连接至所述承重臂(120)的远端枢转点(124)。
28.根据权利要求25至27中任一项所述的平衡装置(100)，其中，所述基部(110)连接至固定支承部(200)。
29.根据权利要求25至27中任一项所述的平衡装置(100)，还包括适于维持关于所述载荷(10)的位置的制动器。
30.根据权利要求25至27中任一项所述的平衡装置(100)，其中，所述支承矢量(129)在至少两个自由度上平衡所述载荷矢量(12)。
31.根据权利要求25至27中任一项所述的平衡装置(100)，配置成用于医疗应用的全自动机器臂。
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